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RFID技术在智能交通中的大规模应用模式分析

作者：王兴文黄础章

来源：香港大学电子商业科技研究所

日期：2007-06-29 11:19:05

摘要：文首先从“面向服务”的思想，来系统地划分智能交通中不同主体在面向不同服务对象时所需要提供的服务内容，进而分析怎样去大规模地应用RFID技术去实现这些服务内容。最后，针对RFID作为一门数据采集技术，在与其他数据采集技术（比如：GPS），以及数据处理分析平台（比如GIS）的比较与融合方面作出简单地探讨。

关键词：智能交通RFID技术数据采集GIS

智能交通是将先进的传感器技术、通讯技术、数据处理技术、网络技术、自动控制技术、信息发布技术等有机地运用于整个交通运输管理体系而建立起的一种实时的、准确的、高效的交通运输综合管理和控制系统[1][3]。智能交通通过改善交通运输基础设施，提高交通信息服务水平，来改善交通运作环境，提高交通服务质量，进而提高人民生活水平。

RFID(Radio Frequency Identification，无线射频识别)技术，最初作为二战时期用于敌我飞机识别的技术，最近几年在物流与供应链管理领域重新焕发了新机，得到了极大的重视与长足的发展[12]。在交通运输领域，RFID技术也在公交卡[7][9]、不停车收费[8]、停车场管理、车辆类型及流量信息采集、高速公路车辆速度计算等方面取得了应用成效[6]。为了系统地分析RFID在智能交通中的应用前景以及应用模式，本文首先从“面向服务”的思想，来系统地划分智能交通中不同主体在面向不同服务对象时所需要提供的服务内容，进而分析怎样去大规模地应用RFID技术去实现这些服务内容。最后，针对RFID作为一门数据采集技术，在与其他数据采集技术（比如：GPS），以及数据处理分析平台（比如GIS）的比较与融合方面作出简单地探讨。

1. RFID技术及其在交通领域的应用情况

RFID技术是通过无线电波的方式，把存储在RFID标签（Tag）中的唯一标识码传送给RFID阅读器（Reader）。当标签贴在被标识物体上时，就可以对被标识物体实现远距离的、非直接接触的识别。基于无线电波传输周期以及传输通道的特性，同时也就可以实现多目标、大批量、快速的识别。

如图1所示，RFID系统主要包括标签（Tag）、阅读器（Reader）、以及用于后台控制与处理的计算机。其中标签包含一个微小的芯片（Microchip）用于存储其ID号码，以及一个用于电波接收与反射的天线（Antenna）。阅读器是一个复杂的设备，它也包括一个用于信号发射与接收的天线。该天线根据信号接收的距离在形状及大小上有很大的区别。按工作频率的不同，RFID技术主要分为低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）、以及微波（MW）频段。不同频段在其工作的物理机制上有所不同，相应的在传输距离、传输速度、以及应用领域上也各有不同。按标签的电源供应情况，还分为主动式与被动式标签。主动式的标签采用电池供电。被动式标签靠阅读器的电波能量供电。由于供电方式的不同，造成其传播距离以及应用领域的不同。

RFID技术已经在交通领域取得了广泛的应用。除了应用非常普遍的公交卡、不停车收费系统等，还应用于数量统计、速度计算、进入控制等方面。其中一些应用案例列举如下：

公交一卡通。比如：香港的八达通、深圳的深圳通、广州的羊城通。其中，香港的八达通可以搭乘香港所有的公共汽车、地铁、火车、轻轨列车、轮渡、小型巴士，等交通工具。
不停车收费系统。比如美国的E-Zpass，香港的Autotoll，广东的粤通卡等。其中香港的Autotoll系统从1992年起，在香港的十多条主要公路干线以及隧道上进行不停车收费，每天为香港20多万带有RFID不停车收费卡的用户提供服务。广东省在2004年就已经开通了150条高速公路不停车收费车道。
中国铁道部基于RFID的车辆调度系统。中国铁道部目前已经对所管辖的55万辆机车车辆以及车厢加上RFID标签,实现对车辆或车厢的追踪,以及车辆运行过程中的路况报警提示。
美国佛罗里达高速公路利用电子收费的RFID标签进行车辆旅程时间计算以及行驶速度计算。
上海市公共汽车到、离站之信息管理，在安装在站台的显示屏幕上显示公车辆即将到达与即将启程的名称、位置及时间。
浙江杭州市公交优先系统。杭州市对其快速公交一号线路上31个灯控路口安装了RFID设备，当公交车驶近路口200米的地方，RFID设备就能读到公交车的信息。根据需要，并在信号控制设备的配合下，适当调节红绿灯的时间，以实现公交优先通行。

2. 智能交通的内容划分

智能交通的内容非常广泛，比如：城市交通信号系统、公共调度和服务系统、区域联网不停车收费系统、公众出行信息服务系统等[3]。在智能交通的内容划分上，文献[1]中的作者从一个IT系统的角度，按系统功能和数据流进行划分。该划分方式可以从技术的角度阐述清楚数据的流动、共享、应用等。但在实际应用中，如果没有从经济或投资的角度理清系统该由谁来投资、谁对投资回报负责、谁来进行系统维护与升级等，经常会造成一些由政府投资建设的系统不能很好地发挥作用或者长期地使用下去。为此，我们将从“面向服务”的角度来划分智能交通的服务内容。

“面向服务架构(Service-Oriented Architecture，简称SOA)”是最近软件开发中的一个热门词汇。国际上众多IT巨头，包括IBM，Microsoft, BEA, 都在基于该架构调整其软件体系，通过不同系统或不同模块间基于松散耦合的消息传递，实现对系统有效的构造、集成、执行、管理等。然而，“面向服务”的思想并不首先是一个软件工程的思想。其本质的意义就是从服务的角度对事物、或系统、或流程等进行分解,进而按松散耦合的方式进行组合，以达到体系的完整性、逻辑性[13]。同时，在分解的过程中，按服务提供者和服务消费者的不同逐步降低个体间的依赖性，以及按服务内容来划分服务的逻辑边界。

在此，当我们面对智能交通或交通智能化这样一个“事件”时，我们同样借用“面向服务”的思想来分解其所应包含的内容。首先，交通服务有交通基础设施的提供者。这种提供者可以是政府机构的交通部门，也可以是开通一些隧道或架设桥梁的私营机构。交通基础设施的直接消费者是交通工具。而乘客是交通工具所提供的服务的消费者，他是交通设施间接的消费者。在此，为了达到更小、更明确的逻辑边界划分，我们不把乘客纳入交通基础设施的消费者进行考虑。由此首先形成了“交通基础设施提供者—交通工具”这样一对服务的提供者与消费者。除此之外，前面刚已提到，当交通工具用来作为交通服务的工具时，其服务提供者就是“交通工具提供者”。在此，我们主要考虑的是公共交通的智能化，所以我们进一步限制为“公共交通工具提供者”。而享受该服务的消费者就是乘客。这样也就形成了“公共交通工具提供者—乘客” 这样一对服务的提供者与消费者。

在划分出这两对服务提供者和服务消费者后，我们再来划分服务内容的逻辑边界。服务内容是站在服务提供者的立场所能提供的、具有收益的、具有保障的内容。为了形成明确的逻辑边界，我们首先把服务分为“基础服务”和“信息服务”。信息是当今信息时代的主要内容。信息服务是伴随基础服务，对其进行保障、增值的内容。更进一步，基础服务又可以分为“服务范围”、“收费”、“安全控制与管理”三个主要方面。这些方面是作为一个服务者要考虑的基本因素。比如，作为一个Internet服务商，需要考虑能提供一些什么样的服务，怎样去进行服务收费、在网络出现问题时怎样去补救、以及怎样去为用户提供信息查询服务等。
明确了这些服务提供者、服务消费者，以及服务内容后，我们就可以系统地归纳、总结出面向交通智能化所应该提供的服务内容。首先，交通基础设施提供者对交通工具所应提供的服务内容可归纳如表一所示。

其次，公共交通工具提供者对乘客所应提供的服务内容可归纳如表二所示。

以上划分主要是针对大范围的公路交通以及城市内的公共交通两大类来划分的。这两类也是目前智能交通所要解决的两大主要方面。针对其他一些小范围的、局部的应用，比如：停车场、机场、集装箱码头、垃圾处理场等，都可以按服务提供者与服务消费者的方式去划分服务内容，并且由服务提供者根据被服务者的需求去确定是否提供相应的服务。在下面，我们将根据RFID的技术特点以及适用性，来分析RFID在智能交通中大规模应用的模式。

3. RFID技术在智能交通中大规模应用的可行性与应用模式

近几年RFID技术的热潮是来自于AutoID实验室对建立物流与供应链领域的“物联网（Internet of Things）”的设想[12]。其基本想法就是基于Internet的互联互通性，通过电子产品代码（Electronic Product Code，简称EPC）把供应链的物质网络（Network of Atoms）同Internet的比特网络(Network of Bits)融合起来，形成一个统一的“物联网（Internet of Things）”。形象而言就是在每个物品贴上标签RFID标签，每个标签都赋予一个唯一的EPC码。当货物沿供应链的流动时，（比如：生产工厂→ 中心仓库 → 区域配送中心 → 零售店 → 货架→ 顾客），通过装在相关位置的RFID阅读器，可以快速地完成对产品的识别、盘点、数量统计、自动补货、防伪检查等，以达到提高物流速度、降低库存水平、提高资金周转率等。该想法得到众多国际零售巨头，比如：Walmart, Target, Metro,的响应与支持，同时也得到了包括美国国防部（Department Of Defense, 简称DOD）的支持，从而掀起一股RFID的热潮。

然而在实现上，RFID在物流与供应链管理方面的进展并不如预计那么顺利。比如Walmart已经推迟了它在2005年实现全球前100大供应商全面采用RFID技术的强制性要求。其中几个主要的因素有1）.全球标准的不统一。特别是数据格式以及受政府管制的UHF频段，美国、欧洲、以及亚太的一些国家和地区都有不同的标准。中国也正在制订自己的标准[5]。但是为了实现在全球化的供应链上都能识别采用RFID标识的物体，标准的统一非常重要。2）.成本高，投资主体不明确。其成本主要在将要海量使用的RFID标签上面。由于供应链上涉及众多商业主体，包括产品生产商、物流服务提供商、运输商、仓库管理、海关、机场或码头、分销商等，很难用一种商业模式把他们的投资与利益平衡起来，让某方或让大家共同来投资。3）.技术的成熟性还不够。目前被动式标签中的数据存储时间还有限，标签读取的成功率也受很多环境因素制约。4）.其他因素，包括隐私、安全等问题。

然而，把RFID技术应用来针对局部区域的交通智能化而形成的“车联网（Internet of Vehicles）”具有更高的可行性。1）.针对标准不统一的问题，在局部（全国、或全省、或全市）采用RFID，可以不用考虑国际化标准的统一问题。2）.投资主题明确。无论是交通基础设施的提供者还是公共交通服务提供者，在有需求提高服务水平的时候，他们就可以考虑进行投资。目前很多高速公路或隧道的不停车收费系统，都是投资主体（或者叫服务提供者）为了提高服务质量而进行的技术改造。3）.技术具有更高的成熟性。针对智能交通的应用中所采用的主动式、超高频标签，其读写距离远、安全性好、数据存储时间更有保障。虽然主动式标签的成本比被动式贵很多，但是针对车辆这种昂贵的物品，主动式标签的成本占的比例非常小。4）.由于采用主动式标签，在安全性、保密性、隐私问题处理都有很成熟的技术。

为了达到有效的监控管理与信息服务，在实现上需要大规模地在所有道路上安装RFID阅读器，在所有车辆上安装RFID标签。在实施方案上，一些学者也对局部区域内的RFID技术的实现进行了探讨[2][4]。针对RFID设备的安装，我们设计在道路交叉口安装红绿灯的支架上进行安装，如图2所示。RFID阅读器可以安装在支架的立柱上。RFID阅读器的天线可以安装在支架的横梁上面，可以紧靠在交通信号灯的下方。一般一个RFID阅读器可以连接多条天线，并且阅读器可以从逻辑上区分某个RFID标签是被哪条天线所读到。因此，一个阅读器连同多条天线可以满足对每条行车线上的车辆流动情况进行监控。其天线覆盖区域为锥型区域。为了不至于在两条相邻行车线之间造成探测盲区，其锥型区域除了覆盖正下方的行车线外，也应覆盖部分相邻行车线的区域。比如说，每条天线覆盖相邻行车线25%的范围，则两个相邻天线就有50%的重叠区。这样可以保证不至于出现探测盲点，也不至于出现重复检测。除了道路交叉路口，在其他道路出口或空旷的高速公路上，也可以按照适当的密度在每条行车线上装上RFID系统，到达按一定的密度收集车辆的运行信息。交通信号灯RIFD阅读器天线RIFD阅读器RIFD阅读器天线覆盖区域

总之，RFID阅读器或其天线可以象交通信号灯一样地普遍，用来收集行驶在道路上的车辆的动态信息，到达监控的目的以及增值服务的目的。当大规模的道路以及车辆都采用RFID技术后，结合其他数据通讯技术、数据处理系统、信息发布系统等，可以实现如下的针对交通工具智能化服务：

相对位置定位。可以确定车辆进入了哪个区间。其定位的精度取决于RFID阅读器安装的密度。
路线导航。根据事先选定的路线，在抵达某关键路口的前一个路口，通过适当的信息发布机制，可以告诉车辆应准备在某条行车道行驶或某个出口驶出。
智能信号灯控制。通过安装在路口的RFID阅读器可以探测并计算出某两个红绿灯区间的车辆数目，从而智能地计算红灯或绿灯的分配时间。同时，通过对公交车辆的类别的识别，可以实现公交优先的交通信号控制。
城市中心区域交通流量控制。对进入城市中心区的车辆，通过安装的路口的RFID阅读器，自动计算出行驶长度。从而可以对进入中心区的车辆按行驶长度不停车地进行收费，以降低城市中心区的交通压力。
不停车收费。该功能已经在很多高速公路上实现。
进入控制。通过装在路口的RFID阅读器，并辅以其他自动控制系统，可以不让特定类型的车辆、或有违章记录的车辆进入某区域或某路段。
实时速度指标。可以通过计算两阅读器区间的车辆通过时间，进而实时统计出车辆的平均行驶速度。并且可以给出通告，让其他车辆可以知道该路段的顺畅程度，从而选择是否行驶该路段。
超速警告。根据两阅读器区间的车辆通过时间，计算出该车辆行驶是否超速。如果超速，通过适当的信息发布机制，对该车辆进行通告或警告。
自动违章记录与惩罚。针对在某区间违章的车辆，在区间出口处，识别到该车辆后，可以自动进行违章的记录与惩罚。其费用还可以从自动缴费渠道扣除。
实时流量统计。根据两阅读器区间的车辆通过数量，可以实时进行某路段的车辆流量统计。如果流量超过某范围，还可以进行相应的警告信息发布以及进入限制。
逆行警告。根据车辆在通过两阅读器区间的时间先后次序，可以判断该车是否是在逆行。如果有逆行，则通过适当的信息发布机制，向该车辆发出警告信息。
故障通告。如果某路段因为意外情况或者例行道路维护，需要暂时关闭，则可以在该路段之前的路口，对经过该路口的车辆进行通告，告诉某路段已经封闭，不可进入。

以上是针对交通工具通过RFID可以实现的智能服务。针对公共交通工具的乘客的智能服务包括：
车辆位置分布。可以通过装在公交站台的显示设备，显示出某路线的所有车辆的目前位置分布。
下班到达时间通告。可以通过装在公交站台的显示设备，显示出某路线的下班车辆的大约到达时间。
拥挤程度通告。可以通过装在公交站台的显示设备，通告下班即将到达的车辆中已有乘客数量或拥挤程度指标。乘客可以结合其他车辆的位置，选择是否继续等待。
公交一卡通。通过装在车辆上的RFID阅读器，可以实现公交费用的电子支付，减少钱币的直接支付与找零。该应用已经在很多车辆上实现。更进一步，如果在车辆下车处也装上RFID阅读器，可以实现按行程距离收费、实时乘客人数统计、以及前面提到的拥挤程度通告等。
下站到达地点通告。通过装在车内的显示设备，可以让车上的乘客知道下站的到达地点，以及整个行程所经过的站名。目前该服务通过司机手动控制已经可以实现。如果采用RFID，可以更智能化、更准确地实现下站到达站名的通告。
交通状况信息转告。通过装在车内的显示设备，可以转告从交通基础设施提供者所收到的交通状况信息，比如，实时速度指标，实时流量指标，故障通告等。
动态时间估算。结合从交通基础设施提供者所的交通状况信息，可以进行余下路线行驶时间的估算，并定期通知给车上的乘客。

以上方面都是结合实际情况归纳总结出来的。这些功能的实现，能满足交通工具以及乘客对交通信息的需求，促进交通的智能化

4. 与其他相关技术的比较与融合

在实现“车联网”的技术中，RFID只是一门个体识别、定位、导航等用途的工具。其需要有相关的数据通讯、数据处理、信息发布、智能控制等技术的配合。在实时定位与导航方面，GPS技术已经得到了充分的利用。与RFID技术相比，GPS所获取的定位信息有更高的精度。但是在适用性上，GPS系统需要昂贵的设备去存储基础GIS数据，以及进行复杂的计算。而采用RFID技术，只需要一个RFID标签，再配合其他通讯设备及信息发布设备，就可以进行粗略位置的定位以及导航。具有成本低，安装方便，车辆无需改造等特点。但是该两种技术并非相互排斥的。GPS可以应用于比较空旷的地方，以及对定位精度要求很高的情况下。RFID可以应用于城市交通网络或者高速公路网络等监控性强的地方。在数据的融合与处理上，一些作者对GIS在智能交通中的数据模型[10]以及数据融合[11]都作了深入的探讨。GIS作为一个空间数据处理平台，在将来可以融合RFID所获取的实时交通信息，从而提供针对流量、速度、位置、状态方面的信息。

5. 总结

随着RFID技术在最近几年的蓬勃发展，在智能交通领域，RFID也有了很多的应用。本文为了系统地分析RFID技术在智能交通中的应用空间以及应用模式，首先从“面向服务”的思想来系统地划分智能交通所需要提供的服务。分别归纳了交通基础设施提供者应该向其服务对象—交通工具—所提供的服务，以及公共交通工具提供者应该向其服务对象—乘客—所提供的服务。这些服务可以采用基于RFID的“车联网”来实现，比如：针对交通工具的相对位置定位，路线导航，智能信号灯控制，实时速度指标，超速警告，自动违章记录与惩罚，实时流量统计，逆行警告，故障通告等，以及针对乘客的车辆位置分布，下班到达时间通告，拥挤程度通告，下站到达地点通告，动态时间估算等。这些服务的实现都得建立在大规模地使用RFID技术之上。理想的状况就是道路上的RFID阅读器象交通信号灯一样普遍，每个车辆上都装有一个RFID标签。

本文从宏观的角度阐述了“车联网”可以实现的交通智能化方式，并没有从具体的技术实现细节上进一步探讨，希望能够达到抛砖引玉的作用，推动RFID技术在智能交通领域的应用。

6. 参考文献
1).王笑京（2001），“智能运输系统体系框架研究”，交通与计算机，2001年第4期第19卷， pp.4-6。
2).许昆、苏一、马春晓（2005），“RFID在城市智能公共交通系统中的应用”，电脑学习，2005年2月第1期，pp.4-5。
3).王笑京、沈鸿飞、汪林（2006），“中国智能交通系统发展战略研究”，交通运输系统工程与信息，Vol.6， No.4，pp.9-12。
4).李刚，曾锐利，林凌（2006），“基于射频识别技术的智能交通系统”，信息与控制，Vol.35， No.5, pp.28-31。
5).白皮书（2006），中国RFID技术政策白皮书，中华人民共和国科学技术部等15部委。
6).黄运贵,黄新熏，等（2006），“RFID技术在交通信息搜集之个案分析”， http://www.chinarfid.com.cn/rfidyyjc/200701240940126.htm
7).徐智伟，天极（2006），“城市一卡通的发展及其在全球主要观光城市的应用”，金卡工程，2006 Vol.10 No.8，pp.22-23。
8).吕洪燕, 曾广业, 倪卓敏 (2006), “射频识别技术在高速公路不停车收费系统的应用”, 公路，2006年7月，第7期，pp.264-266。
9).王大鹏,杨庆坤,王伟,高立新(2006), “基于单片机和射频技术的北京市公交‘一卡通’系统解决方案”, 交通运输系统工程与信息, Vol.2, No. 2, pp33-37。
10). 李清泉,左小清,谢智颖（2004），“GIS-T 线性数据模型研究现状与趋势”，地理与地理信息科学，Vol.20，No.3， pp.31-35。
11). 尹建忠, 李清泉, 宋莺, 贺奋琴（2006），“车辆监控系统中GIS，GPS，GSM 关键技术的探讨”，工程勘测，2006年7期，pp51-54。
12). AutoID Center (2001), “AutoID and the EPC network”, http://www.epcglobalinc.org/
13). Thomas Erl (2005), Service-Oriented Architecture: Concepts, Technology, and Design, Prentice Hall, ISBN 0131858580.

本文章发表在“第一届中国交通地理信息系统（GIS-T）技术研讨会（2007年6月24-25日，武汉大学交通研究中心）”上。由作者提供，在此发布；如要转载，请征得作者的同意。作者的联系方式为 xwwang@eti.hku.hk ecwong@eti.hku.hk